??? 摘 要： 針對(duì)P2P技術(shù)在IPTV中應(yīng)用的研究熱點(diǎn)，提出了一種基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)" title="超級(jí)節(jié)點(diǎn)">超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分利用了P2P技術(shù)在交互式應(yīng)用方面的" title="面的">面的優(yōu)勢(shì)，使構(gòu)建更加靈活有效的IPTV業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為可能。
??? 關(guān)鍵詞： P2P? IPTV? P2P-IPTV? 體系結(jié)構(gòu)
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??? 根據(jù)ITU-T的最新定義，IPTV就是在IP網(wǎng)絡(luò)上傳送包含電視、視頻、文本、圖形和數(shù)據(jù)等，并提供服務(wù)質(zhì)量/服務(wù)感受(QoS/QoE)保證、安全性、交互性和可靠性的可管理的多" title="的多">的多媒體業(yè)務(wù)。由此可以看出，IPTV明顯有別于互聯(lián)網(wǎng)流媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)。IPTV的典型應(yīng)用目前主要包括直播電視、時(shí)移電視和視頻點(diǎn)播等視頻類(lèi)應(yīng)用及上網(wǎng)瀏覽等信息類(lèi)應(yīng)用。但現(xiàn)在的IPTV技術(shù)還存在服務(wù)效率低、重定向機(jī)制復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)需要更高帶寬、資源調(diào)度不靈活等問(wèn)題，如果不能有效解決大規(guī)模用戶(hù)對(duì)交互式多媒體應(yīng)用的需求問(wèn)題，IPTV將不得不受限于此瓶頸。P2P技術(shù)對(duì)交互式媒體應(yīng)用的支持能夠擴(kuò)展到大規(guī)模用戶(hù)群，這為互聯(lián)網(wǎng)以及一些電信級(jí)應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展提供了充足的空間。為了更好地滿足IPTV業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，有必要研究更為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。作為P2P技術(shù)在IPTV中應(yīng)用的研究問(wèn)題之一，本文提出了一種基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分利用了P2P技術(shù)在交互式應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，使構(gòu)建更加靈活有效的IPTV業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為可能。
1 P2P技術(shù)簡(jiǎn)介
??? P2P技術(shù)，也稱(chēng)為對(duì)等計(jì)算（Peer to Peer）技術(shù)，是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的思想。在P2P結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（peer）大都同時(shí)具有信息消費(fèi)者、信息提供者和信息通信等三方面的功能。在P2P網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所擁有的權(quán)利和義務(wù)都是對(duì)等的。P2P是一種分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源（處理能力、存儲(chǔ)能力、網(wǎng)絡(luò)連接能力、打印機(jī)等），這些共享資源需要由網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)和內(nèi)容，能被其他對(duì)等節(jié)點(diǎn)(Peer)直接訪問(wèn)而無(wú)需經(jīng)過(guò)中間實(shí)體。在此網(wǎng)絡(luò)中參與者既是資源（服務(wù)和內(nèi)容）提供者（Server），又是資源（服務(wù)和內(nèi)容）獲取者（Client）。P2P打破了傳統(tǒng)的Client/Server (C/S)模式，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是對(duì)等的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)服務(wù)器，為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，同時(shí)也享用其他節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)。
??? P2P系統(tǒng)一般要構(gòu)造一個(gè)非集中式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在構(gòu)造過(guò)程中需要解決系統(tǒng)中所包含的大量節(jié)點(diǎn)如何命名、組織以及確定節(jié)點(diǎn)的加入/離開(kāi)方式、出錯(cuò)恢復(fù)等問(wèn)題。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系可以將P2P研究分為4種形式：中心化拓?fù)洌–entralized Topology）；全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)洌―ecentralized Unstructured Topology）；全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)洌―ecentralized Structured Topology，也稱(chēng)作DST網(wǎng)絡(luò)）和半分布式拓?fù)洌≒artially Decentralized Topology）。表1中比較了4種結(jié)構(gòu)的綜合性能。
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??? P2P系統(tǒng)具有非常良好的可擴(kuò)展性" title="可擴(kuò)展性">可擴(kuò)展性，能夠在較低成本情況下完成資源的聚合和共享，也允許peer在彼此數(shù)據(jù)的管理和資源共享上擁有較大的自治控制。由于其出色的性能，基于部分Serverless和完全Serverless的P2P技術(shù)，出現(xiàn)了大量的互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)增值業(yè)務(wù)，例如分布計(jì)算、協(xié)同工作、文件共享、即時(shí)通信等。
??? 目前大多互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用都是基于傳統(tǒng)的C/S模式的，IPTV也是如此。C/S模式使得網(wǎng)絡(luò)上的資源向服務(wù)器端集中，用戶(hù)之間的通信高度依賴(lài)于服務(wù)器，無(wú)法直接交流信息。因此，在網(wǎng)絡(luò)性能方面，P2P的優(yōu)點(diǎn)在于它是基于互聯(lián)網(wǎng)的對(duì)等架構(gòu)，可以大大改善資源的流量分布，解決網(wǎng)絡(luò)擁塞和帶寬的瓶頸問(wèn)題，減緩存儲(chǔ)服務(wù)器的響應(yīng)壓力。在通信方式上，基于P2P的系統(tǒng)由于peer之間的協(xié)作，具有高度的容錯(cuò)性和非常好的可擴(kuò)展性，可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布和資源的聚合，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r(shí)性和成本都具有C/S所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。圖1所示為C/S與P2P模式的比較。
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2 IPTV工作原理與層次結(jié)構(gòu)
??? IPTV利用IP寬帶網(wǎng)絡(luò)，以“電視機(jī)+機(jī)頂盒”為主要終端設(shè)備，為用戶(hù)提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的互動(dòng)多媒體服務(wù)" title="多媒體服務(wù)">多媒體服務(wù)的寬帶增值業(yè)務(wù)。其工作原理與基于互聯(lián)網(wǎng)的電話服務(wù)VoIP相似，它把呼叫分為數(shù)據(jù)包，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，然后在另一端進(jìn)行復(fù)原。其過(guò)程與多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程大致相同。首先是編碼，即對(duì)原始的電視信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)化成適合Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式；然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送，最后解碼通過(guò)電腦或是電視播放。但因?yàn)樗鶄鬏數(shù)臄?shù)據(jù)是視頻和同步的聲音，如果效果達(dá)到普通的電視效果每秒24幀甚至是DVD效果，顯然所要求的傳輸速度是非常高的。
??? IPTV能提供點(diǎn)播、廣播/直播、視頻通信、短信/彩信、信息服務(wù)、游戲等業(yè)務(wù)。IPTV技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，主要包括音視頻編解碼技術(shù)、流媒體傳送技術(shù)、寬帶接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、IP機(jī)頂盒技術(shù)等。IPTV的特點(diǎn)主要包括：
??? ①采用高效的視頻壓縮技術(shù)，用戶(hù)可以得到高質(zhì)量(DVD水平)的數(shù)字媒體服務(wù)；
??? ②用戶(hù)可有極其廣泛的自由度，隨意選擇寬帶IP網(wǎng)上各網(wǎng)站提供的視頻節(jié)目；
??? ③實(shí)現(xiàn)媒體提供者和媒體消費(fèi)者的實(shí)質(zhì)性互動(dòng)。IPTV能根據(jù)用戶(hù)的選擇配置多種多媒體服務(wù)功能，包括數(shù)字電視節(jié)目、可視IP電話、DVD/VCD播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、電子郵件，以及多種在線信息咨詢(xún)、游戲、娛樂(lè)、教育及商務(wù)功能等。
??? 從層次結(jié)構(gòu)上分析，一個(gè)典型的IPTV系統(tǒng)主要包含支撐層、業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)承載層和終端層等部分，如圖2所示。支撐層主要完成IPTV用戶(hù)的管理認(rèn)證授權(quán)以及系統(tǒng)設(shè)備的管理。業(yè)務(wù)層主要是為IPTV提供多種多樣的多媒體交互業(yè)務(wù)，如視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)，體育直播業(yè)務(wù)等；網(wǎng)絡(luò)承載層主要是IPTV的物理介質(zhì)，要求帶寬比較大，最好支持組播，并具有一定的安全保護(hù)措施，具體又可分為接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)和核心網(wǎng)三個(gè)部分。終端層則表示IPTV的最終用戶(hù)，他們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)承載層進(jìn)行不同方式的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，并在PC或者配合機(jī)頂盒的TVSet上觀看電視節(jié)目。
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3 基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)
??? 目前，IPTV都是基于C/S模式的，運(yùn)行在支持組播實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和點(diǎn)播存儲(chǔ)媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用的IP網(wǎng)絡(luò)中，需要面對(duì)十萬(wàn)、百萬(wàn)規(guī)模的大并發(fā)多媒體服務(wù)的挑戰(zhàn)，在服務(wù)器I/O能力、帶寬、海量存儲(chǔ)、部署成本等方面都將受到前所未有的考驗(yàn)。當(dāng)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)同時(shí)收看節(jié)目時(shí)，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和QoS，ICP必須用大量服務(wù)器來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)負(fù)載，并增加網(wǎng)絡(luò)出口帶寬。但是，服務(wù)器數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)容量的增加永遠(yuǎn)會(huì)落后于用戶(hù)規(guī)模的增長(zhǎng)。過(guò)渡性的解決辦法是采用組播傳輸技術(shù)來(lái)提供廣播服務(wù)或者采用內(nèi)容傳輸網(wǎng)等覆蓋網(wǎng)技術(shù)，但需要對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造，這將大大增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，浪費(fèi)已有的資源投資。
??? 為了徹底解決問(wèn)題，必須突破C/S模式體系結(jié)構(gòu)，引入P2P重疊網(wǎng)的理念和技術(shù)。圖3所示為一種基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)綜合了第一代中央控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和第二代分散分布體系結(jié)構(gòu)的IPTV的優(yōu)點(diǎn)，屬于第三代P2P體系結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，聚合用戶(hù)；在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間采用分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為IPTV的穩(wěn)定度協(xié)同工作。分布式放置的超級(jí)節(jié)點(diǎn)取代了中央索引檢索服務(wù)器，同時(shí)，采用分層次的快速搜索算法改進(jìn)IPTV的多媒體資源和內(nèi)容的搜索性能，縮短了電視節(jié)目的反應(yīng)速度和頻道切換速度。具有高性能的超級(jí)節(jié)點(diǎn)彼此間相互協(xié)作，即使一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)崩潰，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)仍然與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有連接，并在新的頻道的搜索中使用新的超級(jí)節(jié)點(diǎn)。超級(jí)電視節(jié)點(diǎn)也是一種終端，只是其處理能力或帶寬能力較強(qiáng)，被系統(tǒng)選為超級(jí)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)其退出系統(tǒng)時(shí)，由于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的分布式連接，并不影響終端用戶(hù)的對(duì)等服務(wù)搜索過(guò)程。其他超級(jí)節(jié)點(diǎn)可代替提供相關(guān)服務(wù)，從而保證了P2P-IPTV系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性，也為系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展提供了良好的接口。
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??? 與Skype中的超級(jí)節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，P2P-IPTV的體系結(jié)構(gòu)中的超級(jí)節(jié)點(diǎn)其實(shí)也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的索引服務(wù)器。超級(jí)節(jié)點(diǎn)還可為處于局域網(wǎng)NAT或者防火墻的IPTV用戶(hù)建立與外界用戶(hù)節(jié)點(diǎn)間的連接并為其媒體流做轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。
??? 基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)可以使得IPTV業(yè)務(wù)的廣播和轉(zhuǎn)播等門(mén)檻得到降低，可以讓更多用戶(hù)參與并使自制的多媒體內(nèi)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時(shí)還可以節(jié)約電信運(yùn)營(yíng)商之間的對(duì)接流量，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。
??? IPTV起源于互聯(lián)網(wǎng)流媒體技術(shù)，盡管技術(shù)基礎(chǔ)和基本功能是一致的，互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行的IPTV系統(tǒng)與電信級(jí)的IPTV系統(tǒng)在功能、性能和可靠性等方面都差異很大。尤其在IP的盡力而為的網(wǎng)絡(luò)傳送方式下，如何利用技術(shù)手段保證用戶(hù)的IPTV業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，一直都是IPTV技術(shù)試圖克服的難題。本文研究的基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)，充分利用了P2P技術(shù)在交互式應(yīng)用等方面的優(yōu)勢(shì)，使構(gòu)建更加靈活有效的IPTV業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為可能。
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